在智能控制課程教學中培養(yǎng)學生的綜合能力

樊淵

摘要： 在智能控制課程教學中應優(yōu)化教學目標和教學內(nèi)容，強調(diào)內(nèi)容的新穎性和實用性，并突出現(xiàn)代化教學手段的運用。通過物理系統(tǒng)和仿真平臺相結(jié)合開展課程實驗，并通過小型項目設(shè)計檢驗學生的學習效果，使該課程在一定程度上承擔起培養(yǎng)學生綜合能力的作用。

關(guān)鍵詞： 智能控制教學方法教學改革

1.引言

智能控制是自動化及相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)課程。該課程作為自動控制原理的后續(xù)課程原先只在研究生階段才開設(shè)。近年來，很多高等院校已經(jīng)開始在本科高年級開設(shè)，并開展了多年的教學實踐。本科階段該課程通常需要學生掌握智能控制的基本概念和基本方法，包括專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法的基本原理及相應的控制器設(shè)計方法。然而，由于該課程內(nèi)容較為抽象、學科交叉性強、知識點難度較深等原因，學生在學習過程中通常存在興趣不足、難以理解等問題，課程學完以后無論知識層次還是個人能力等方面都未能得到應有的提升。因此，如何在教學改革中提高該課程的教學質(zhì)量，調(diào)動學生的學習積極性和主動性，幫助學生提升專業(yè)知識和能力是非常重要的。近幾年，我結(jié)合自身的教學實踐，針對該課程的特點提出了以培養(yǎng)學生綜合能力為核心的教學目標和內(nèi)容的優(yōu)化方式及具體的綜合能力培養(yǎng)方法，并取得了較好的成效。

2.教學目標和課程內(nèi)容的優(yōu)化

智能控制課程的內(nèi)容十分豐富。該課程通常在先修自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、計算機控制等自動化專業(yè)基本課程的基礎(chǔ)上，作為專業(yè)選修課或本碩貫通課程來修習。從課程的性質(zhì)來講，該課程屬于偏理論的專業(yè)課程，其多學科交叉性質(zhì)明顯，涉及內(nèi)容廣泛，主要涵蓋了專家控制系統(tǒng)、模糊數(shù)學與模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和其他優(yōu)化算法等多門相關(guān)學科理論[1]。由于課程內(nèi)容在數(shù)學基礎(chǔ)上有較高要求，使得課程的具體知識點比較抽象，例如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等章節(jié)涉及的理論性都比較強，尤其是模糊數(shù)學與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)原理等部分較為枯燥難懂。為了在課程教學過程中培養(yǎng)學生綜合能力，該課程的教學目標和教學內(nèi)容的優(yōu)化顯得尤為重要。

2.1通過分析學生知識結(jié)構(gòu)和專業(yè)特點優(yōu)化教學目標

作為自動化及相關(guān)專業(yè)的選修課程，智能控制教學通常在大四第一學期開展。此前學生已經(jīng)學習了微積分、矩陣分析和復變函數(shù)等課程，對專業(yè)課程中需要的基本數(shù)學知識已較為熟悉。同時，控制類相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程如自動控制原理、計算機控制基礎(chǔ)、現(xiàn)代控制理論等課程也已完成學習，這使得學生在自動化領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識方面有了一定的積累，初步建立起了系統(tǒng)、穩(wěn)定性、采樣、反饋等概念，并一定程度上掌握了系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性判別、控制律設(shè)計等方法。在大四開設(shè)智能控制課程，能夠使學生了解本專業(yè)的前沿知識、應用背景和領(lǐng)域、發(fā)展前景等。同時，由于本科高年級學生通常面臨就業(yè)和繼續(xù)深造等多種選擇，在教學中不單要注重知識的灌輸，更要適時進行行業(yè)技能和科研素養(yǎng)的引導，使學生能夠保持學習的熱情和對科學研究的興趣，為學生選擇適合自己發(fā)展的崗位和科研領(lǐng)域打下一定的基礎(chǔ)。因此，本課程的教學目標可以總結(jié)為三點，即積累知識、培養(yǎng)興趣、鍛煉能力。結(jié)合智能控制課程本身的特點和綜合能力培養(yǎng)的目的，具體來說該課程的教學目標為：（1）使學生學習智能控制的基本知識，掌握智能控制分支及其特點，包括專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法等，并通過認識其在控制科學與工程中的地位和作用進一步了解自動化學科的發(fā)展前沿，培養(yǎng)學習自動化領(lǐng)域知識的熱情和興趣；（2）使學生初步掌握運用智能控制知識分析和設(shè)計系統(tǒng)的方法，能夠設(shè)計簡單的智能控制系統(tǒng)，并據(jù)此培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力；（3）使學生綜合已學的數(shù)學、計算機、控制等課程的相關(guān)知識，理解學科交叉的一般規(guī)律，并通過實驗和項目設(shè)計將所學知識融會貫通，培養(yǎng)分析、解決問題的能力和動手能力，建立正確的科研觀念和方法，促進素質(zhì)的全面提升。

2.2通過突出應用背景優(yōu)化教學內(nèi)容

學生在學習智能控制的過程中，往往認為課本內(nèi)容過于抽象，無法同實際工程問題建立起聯(lián)系，這也是導致學習興趣不足的一個重要原因。因此，教師在教學過程中必須注意灌輸所講授內(nèi)容的背景知識，以及如何運用這些理論知識解釋實際現(xiàn)象，并通過實例展示所教授的內(nèi)容在工程領(lǐng)域中的應用，以此引導學生對未知領(lǐng)域的理解。例如在講授模糊數(shù)學和模糊邏輯知識時，注意解釋其表象上的含義，并利用大量生活中對應的實例說明模糊化語言和推理邏輯在描述事物性質(zhì)和演化原理方面的優(yōu)勢；在講授神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制時，對于每種類型網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生原因、適用范圍、優(yōu)缺點等作詳細說明，并通過舉例體現(xiàn)其在社會、金融、生物、化學、工程等多領(lǐng)域的廣泛應用，等等。此外，由于該課程的落腳點是控制科學，通過引入一個實際控制對象貫穿不同的教學內(nèi)容取得了較好的教學效果。智能控制方法的引入大多是由于控制對象的非線性強、耦合度高、干擾復雜，難以建立精確的解析模型，而倒立擺作為一種不穩(wěn)定的非線性、多變量的復雜系統(tǒng)，可以作為典型的控制對象來講解[2]。這一教學方式具體表現(xiàn)為：首先根據(jù)算法需要，采用機理或非機理方法建立倒立擺適用于不同控制算法需求的非線性模型；其次根據(jù)控制算法的設(shè)計過程構(gòu)建符合模型特點的控制律；再次通過仿真驗證算法的有效性并查看其控制效果；最后在實體倒立擺對象上應用所設(shè)計的控制律，根據(jù)結(jié)果判斷其控制品質(zhì)并提出改進建議。由于倒立擺的控制技巧富于趣味性，利用它作為智能控制算法的應用對象，很適合學生驗證所學的控制理論和算法，有利于加深對所學課程的理解和掌握。同時，通過對不同控制算法的效果進行比較，有助于學生深入理解各種不同控制方法的適用范圍、使用方式和優(yōu)缺點。這些突出應用背景知識，循環(huán)漸進的教學過程，達到了理論聯(lián)系實際的目的。

3.教學方法改進和學生綜合能力培養(yǎng)

從專業(yè)特點來看，自動化及相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)目標是造就一批高素質(zhì)的專業(yè)技術(shù)人才。學生在完成專業(yè)基礎(chǔ)課程后，智能控制課程的開設(shè)應使學生了解本專業(yè)的前沿知識、應用領(lǐng)域和發(fā)展前景，突出知識的應用性和專業(yè)性，為學生就業(yè)和繼續(xù)深造打下堅實的基礎(chǔ)。從這個意義上來看，教學中不僅僅要求學生掌握智能控制的理論知識，更重要的是如何通過課程的學習，進一步培養(yǎng)學生的綜合能力和專業(yè)素養(yǎng)。這就要求教師根據(jù)課程特點和教學目標，采用更加生動、明了、有新意的教學方法吸引學生的注意力，調(diào)動學生主動性，達到提高學生綜合能力的目的。

3.1通過生動的教學內(nèi)容培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力

在教學過程中我們發(fā)現(xiàn)，高年級學生選修智能控制課程的主要目的在于了解新穎實用的智能控制算法，而對于理論推導和技術(shù)細節(jié)并不特別關(guān)心。因此，在教學過程中應注意多種手段結(jié)合，將智能控制的應用性通過合適的方式生動展現(xiàn)，達到活躍學生思維、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目的。隨著多媒體技術(shù)在輔助教學領(lǐng)域的深入應用，各種多媒體教學軟件得到了長足發(fā)展。多媒體教室通過互聯(lián)網(wǎng)，可以展現(xiàn)種類繁多、圖文并茂的教學內(nèi)容，使教師能夠根據(jù)學生的學習進度進行交互式教學，克服了教師課堂教學條件的局限性。教師可以邊操作邊講解，通過展示大量背景和實例達到更好的教學效果。我們通過合理組織和構(gòu)思，利用PowerPoint制作了展示智能控制背景知識、應用范圍、實際效果等多方面內(nèi)容的文檔。在教學中我們將倒立擺作為典型控制對象，利用動畫制作工具將智能控制算法的設(shè)計、實施、效果等各方面內(nèi)容進行生動展示，不但提高了教學效率，還大大增強了學生的學習興趣，激發(fā)了他們主動思考的積極性。這些努力對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力有了很大的幫助。

3.2利用科學計算軟件培養(yǎng)學生綜合分析能力

MATLAB軟件及其工具箱是當前公認的高性能數(shù)值運算工具。目前國外很多工科教材中都結(jié)合了MATLAB語言[3]。利用該仿真軟件，能夠使抽象、復雜的內(nèi)容變得直觀、易懂，激發(fā)學生的學習興趣。借助于MATLAB平臺，對智能控制中難以解析設(shè)計的復雜系統(tǒng)進行可視化分析與設(shè)計，有助于學生理解和掌握教學內(nèi)容。由于學生在前期基礎(chǔ)課程的學習過程中已經(jīng)掌握了一定的MATLAB預備知識，在課堂教學中出現(xiàn)計算方面的問題均可采用MATLAB求解。另外，在每章理論知識講授完畢后，我們都花費課時演示如何用MATLAB對相應的模型和算法進行控制系統(tǒng)分析和設(shè)計。例如在教學過程中，利用旋轉(zhuǎn)倒立擺模型，采用智能控制的各種算法對其進行控制，并通過MATLAB進行仿真，使學生能夠直觀地看到智能控制的效果。這些做法大大激發(fā)了學生的學習熱情，有利于培養(yǎng)學生應用計算機進行輔助分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的綜合能力。此外，在過去的教學中對學習效果的檢驗主要依靠完成課后習題，而我們在教學中借助MATLAB工具，給學生布置操作性習題，有助于培養(yǎng)學生應用科學計算工具解決問題的能力?？傊?，采用科學計算軟件的輔助教學法能大大提高學生的綜合分析能力，其教學方法還在進一步實踐中。

3.3開展課程實驗培養(yǎng)學生解決實際問題能力

鑒于專業(yè)培養(yǎng)目標要求，實驗在自動化及相關(guān)專業(yè)的教學過程中一直占有極其重要的地位。倒立擺的智能控制實驗是教學重點之一，可以開展一系列復雜的控制器設(shè)計和算法驗證實驗。由于硬件實驗實現(xiàn)的成本高，不易擴展，難以更新?lián)Q代等原因，我們在教學過程中還建立了倒立擺系統(tǒng)的仿真實驗平臺，并充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)來建立軟件化實驗平臺。同時，利用仿真平臺還可以對工廠生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)工作環(huán)境等難以進行實際操作的昂貴、復雜控制過程進行智能控制實驗。學生在實驗過程中可以充分發(fā)揮自己的想象力，發(fā)現(xiàn)實際控制系統(tǒng)設(shè)計中存在的問題，設(shè)計個性化的方案，并利用計算機環(huán)境完成實驗系統(tǒng)的設(shè)計、實驗結(jié)果獲取和比較、實驗報告填寫和討論等各環(huán)節(jié)。此外，計算機和互聯(lián)網(wǎng)也提供了方便的渠道進行相關(guān)資料的查詢，等等。這些教學方式為培養(yǎng)學生解決實際問題的能力提供了有效途徑，有利于降低實驗設(shè)備的維護與管理成本。軟件化仿真實驗平臺的建立為教學實驗的改革提供了很好的思路，為鍛煉學生解決實際問題的能力提供了有效途徑。

3.4通過結(jié)課項目設(shè)計培養(yǎng)學生良好的科研素養(yǎng)

高年級本科生面臨著畢業(yè)后直接就業(yè)或繼續(xù)求學深造的選擇。因此，培養(yǎng)一批后備科研力量成為高年級本科教學的一項重要目標，這就需要教師在教學過程中注重科研引導，使學生具有良好的科研素養(yǎng)。智能控制是自動化領(lǐng)域非常活躍的研究課題，其中很多理論和應用問題都是當前國際熱門的研究方向。因此，該課程更容易激發(fā)學生的研究興趣，使他們通過課程學習找準研究方向，為未來的科研工作打下基礎(chǔ)。為此我們擯棄了傳統(tǒng)的以考試的方式評定成績的做法，轉(zhuǎn)而采用小型研究項目的形式作為結(jié)課時的考核方式。研究項目采用開放的方式，劃定與智能控制相關(guān)的主題，但不限制具體研究內(nèi)容。同時研究可以個人為單位進行，也可以小組方式進行，每組不超過5人。在項目進行過程中，首先讓學生理解每種智能控制算法的優(yōu)點和應用領(lǐng)域，再針對具體研究問題，引導學生搜集相關(guān)資料，并以此為基礎(chǔ)分析問題的可解途徑，提出解決方案進行論證；接著在可行性分析基礎(chǔ)上給出方案的具體實施過程和步驟，得出結(jié)果并分析存在的問題，提出進一步的解決方案；最后總結(jié)整個項目的經(jīng)驗和教訓，梳理思路，完成項目報告并提交。通過結(jié)課項目設(shè)計，能夠啟發(fā)學生思考和探索未知領(lǐng)域，初步理解和掌握科研工作的一般規(guī)律和途徑，學習文獻調(diào)研、方案設(shè)計、問題分析和解決的各種方法，達到初步培養(yǎng)科研素養(yǎng)的目標。這些研究項目也為學生順利完成本科畢業(yè)論文和開展研究生階段的課題研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

4.結(jié)語

智能控制作為高年級本科生的專業(yè)選修課，可以在一定程度上承擔起培養(yǎng)學生綜合能力的任務(wù)。這需要教師首先從教學目標和教學內(nèi)容上進行改革，教學中注重內(nèi)容的新穎性、實用性和介紹性。其次，為充分發(fā)揮該課程的能力培養(yǎng)作用，教師需要利用多媒體和科學計算軟件相結(jié)合激發(fā)學生的學習興趣，充分調(diào)動學生的學習積極性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和綜合分析能力。此外，仿真實驗平臺的運用和結(jié)課小型項目的引入為學生實踐能力的鍛煉和科研素養(yǎng)的提高起到了顯著的作用。

參考文獻：

[1]李少遠，王景成.智能控制（第二版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：3-6.

[2]王從慶，丁勇.現(xiàn)代控制理論課程教學改革的實踐與探討[J].南京航空航天大學學報（社會科學版），2004，6，（1）：72.

[3]蘇東寧，趙坤，宋方臻.MATLAB教學應重視科學計算能力的培養(yǎng)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009，（5）：73.